單軸壓縮條件下白云質灰?guī)r聲發(fā)射特性

王文麗，王 春，周宗紅

（1.中國有色金屬工業(yè)昆明勘察設計研究院，昆明650051；2.中南大學資源與安全工程學院，長沙410083；3.昆明理工大學國土資源工程學院，昆明650093）

單軸壓縮條件下白云質灰?guī)r聲發(fā)射特性

王文麗1，王 春2，3，周宗紅3

（1.中國有色金屬工業(yè)昆明勘察設計研究院，昆明650051；2.中南大學資源與安全工程學院，長沙410083；3.昆明理工大學國土資源工程學院，昆明650093）

采用完整性、均勻性都較好的白云質灰?guī)r進行單軸壓縮聲發(fā)射試驗，試驗采用型號為TAW-2000B的數字控制式電液伺服試驗機進行加載，采用型號為SDAES的數字聲發(fā)射檢測儀采集聲發(fā)射信號。研究分析試驗后的聲發(fā)射數據，其結果表明，加載初期AE振鈴計數值保持在200～300，然后減小處于穩(wěn)定期，最后驟然增加出現最大值；AE能量計數值經歷穩(wěn)定階段后突然增大；AE事件計數率加載初期出現突變現象，接著處于穩(wěn)定期，加載后期突增并在應力達到巖石單軸抗壓強度的80%～90%時出現最大值；巖石的損傷破壞過程中的聲發(fā)射現象處于不同的狀態(tài)，說明聲發(fā)射技術可以用來監(jiān)測巖石的損傷破壞。

白云質灰?guī)r；聲發(fā)射；單軸壓縮；振鈴計數；能量計數

20世紀30年代末期，Obert和Duvall發(fā)現巖石受到外部載荷作用時產生聲發(fā)射現象［1］。隨著后來的研究，聲發(fā)射技術應用到了礦山開采、巖爆監(jiān)測、巖石損傷探測等領域［2-5］。二里河鉛鋅礦［6］、新塘銅礦大凹子礦段［7］、雷家寨銅多金屬礦［8］、滇灘水城螢石礦［9］、瓦廠鐵銅礦［10］等礦山的開采都伴隨著巖石的損傷破壞、采空區(qū)塌陷、礦柱失穩(wěn)等潛在問題。銅坑礦92＃礦體裂隙礦巖巷道支護［11］、高應力動態(tài)沖擊荷載下巖石本構關系的研究［12］等也會伴隨巖石損傷破壞。聲發(fā)射技術的應用為上述問題的解決提供了大量的參考依據。

關于單軸壓縮條件下巖石聲發(fā)射特性，國內外學者進行了大量的研究。陳宇龍、徐騰飛、潘懿等［13-17］進行了大量的單軸壓縮條件下的巖石聲發(fā)射特性的研究，總結分析了聲發(fā)射事件計數、能量計數、振鈴計數、幅度等信號參數的變化規(guī)律，為聲發(fā)射技術應用到巖石損傷破壞探測領域提供了理論依據。

1 單軸壓縮聲發(fā)射試驗

1.1 巖樣制備

為研究單軸壓縮條件下白云質灰?guī)r聲發(fā)射特性，選取白云質灰?guī)r料石，然后經過鉆取巖芯、切割、打磨三個步驟加工成符合巖石力學測試要求的巖樣。單軸壓縮聲發(fā)射試驗選用的巖樣為完整性、均勻性都較好的巖樣。根據試驗要求，巖樣加工成圓柱形，巖樣長徑比為2︰1，長度100mm，直徑50mm。巖樣打磨后，兩端面的不平行度小于0.02 mm，圓周和端面的不垂直度確保要小于0.02mm。

1.2 試驗設備

單軸壓縮聲發(fā)射試驗選用型號為TAW-2000B的長春市朝陽試驗儀器有限公司開發(fā)的數字控制式電液伺服試驗機進行加載。該巖石試驗機的主要組成部分包括電控箱、控制柜、自平衡壓力室、系統(tǒng)油源、門框式剛性主機等，其實物圖見圖1。

單軸壓縮聲發(fā)射試驗整個過程中巖樣產生的聲發(fā)射信號通過SDAES數字聲發(fā)射檢測儀采集，其由北京聲華科技有限公司研制。SDAES聲發(fā)射檢測系統(tǒng)由傳感器、前置放大器、聲發(fā)射采集卡及計算機四個主要部分組成，其實物圖見圖2。

圖1 單軸壓縮試驗系統(tǒng)實物圖Fig.1 Picture of uniaxial compression test system

1.3 試驗原理

速度入口條件應用于入口。兩個相的速度和濃度是給定的值。在出口處施加大氣壓力的壓力出口條件。壁粗糙度設定為0.02 mm，液相使用無滑移邊界條件，粒子使用Johnson和Jackson部分滑移邊界條件，并將鏡面反射系數和顆粒-壁面恢復系數分別設置為0.05和0.97。[7]具體參數設置見表2。

巖石的聲發(fā)射現象是指巖石受到外界荷載的作用時，內部新舊裂紋萌發(fā)、擴展、貫通等，從而使巖石發(fā)生彈性、塑性變形，當外界壓力超過巖石能承受的極限時，巖石內部存儲的能量便以彈性波的形式釋放出來的現象。研究單軸壓縮條件下巖石聲發(fā)射的數量、大小、頻率等參數，可以進一步了解巖石變形破壞的過程。單軸壓縮過程中通過粘貼在巖石試件上的聲發(fā)射換能器將聲發(fā)射信號轉換成電信號，傳送到前置放大器放大，放大后的信號再傳送到聲發(fā)射信號處理器，形成聲發(fā)射事件、振鈴、能量等參數，然后輸送給計算機存儲，其原理示意圖見圖3。

圖2 聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)實物圖Fig.2 Picture of AE monitoring system

圖3 單軸壓縮聲發(fā)射試驗原理示意圖Fig.3 Sketch map of the AE test principle under uniaxial compression

1.4 試驗方案及步驟

1）試驗方案：單軸壓縮聲發(fā)射試驗的目的是測定壓縮過程中巖石的聲發(fā)射現象，用來研究巖石的變形破壞情況。試驗采用負荷加載的方式進行加載，加載速率設定為0.5MPa/s。試驗分為兩組進行，每組準備3個巖樣，試驗前測定巖樣的物理參數，具體的試驗方案見表1。

表1 單軸壓縮聲發(fā)射試驗方案Table 1 Testing program of AE test under uniaxial compression

2）試驗步驟：單軸壓縮聲發(fā)射試驗在進行負荷加載的同時啟動聲發(fā)射測試系統(tǒng)。試驗主要分6個步驟進行。

（1）準備長度100mm、直徑50mm的白云質灰?guī)r巖樣。

（2）檢測應變片并將其沿軸向、徑向各粘貼一片在巖樣側面。

（3）連接、調試SDAES數字聲發(fā)射檢測儀系統(tǒng)。

（4）檢測試驗系統(tǒng)是否連接完好。

（5）同時啟動聲發(fā)射系統(tǒng)和加載系統(tǒng)進行試驗。

（6）儲存試驗采集的數據。

2 試驗結果及分析

2.1 AE振鈴計數特性

圖4為單軸壓縮聲發(fā)射試驗中A1、B2、B3巖樣的振鈴計數—應力—時間關系。從圖4中可以得出，加載初期AE振鈴計數突增，但總數值為200～300，說明此時巖樣處于壓密階段，巖石處于彈性變形階段，內部裂紋變化相對穩(wěn)定。隨著荷載的不斷增加，AE振鈴計數保持一段時間近似恒定，說明巖石處于致密過程，能承受靜載荷。但施加荷載達到白云質灰?guī)r抗壓強度的80%～90%時，AE振鈴計數驟然增加，最大值出現，說明巖石內部裂紋開始貫通，宏觀破壞即將形成。最后靜載荷施加到一定值時，巖樣突然破裂，巖樣破碎呈條狀。

2.2 AE能量計數特性

單軸壓縮聲發(fā)射試驗中的AE能量計數可以用來反映聲發(fā)射事件的強度。圖5為AE能量計數—應力—時間關系圖。圖中A1巖樣0～35s時，AE能量計數增加較快，說明此時巖樣產生的聲發(fā)射強度越來越強。35～90s時，AE能量計數值較小，且變化范圍較窄，說明巖樣此時間段處于穩(wěn)定狀態(tài)。90～100s時，AE能量計數值驟然增大，說明巖樣發(fā)生了宏觀破壞。B2、B3巖樣只在加載的后期出現AE能量計數值增大現象，其它時間段都相對穩(wěn)定，說明B2、B3巖樣內部的微裂紋不同于A1巖樣，從而造成試驗中產生不同的現象。

圖4 AE振鈴計數-應力-時間關系Fig.4 Relationship of AE ring count-stress-time

圖5 AE能量計數-應力-時間關系Fig.5 Relationship of AE energy count-stress-time

從A1、B2、B3巖樣AE能量計數—應力—時間關系的變化情況可以得出，巖石加載的初期產生的聲發(fā)射強度較小，說明巖石內部微裂紋處于壓密階段，巖石產生的是彈性變形，無新裂紋產生。但隨著應力的增加，巖樣內部存儲的能量越來越多，導致產生的聲發(fā)射強度逐漸增大。

2.3 AE事件計數率特性

通過對單軸壓縮條件下巖石聲發(fā)射試驗采集的數據進行分析，繪制了AE事件計數率—應力—時間曲線，見圖6。圖6中，AE事件計數率—應力—時間關系可以分為三個主要階段進行分析，加載初期、加載中期、加載后期，對應的應力分別為巖石單軸抗壓強度的5%～15%、20%～60%、70%～90%。

圖6 AE事件計數率-應力-時間關系Fig.6 Relationship of AE events count rate-stress-time

1）加載初期：產生少量的聲發(fā)射事件，聲發(fā)射活動突變現象明顯。究其原因是，在較低的靜載荷下，巖石內部的微裂紋逐漸閉合，閉合的過程中會導致完整性極差的微裂面發(fā)生破壞，產生不同強度的聲發(fā)射。

2）加載中期：聲發(fā)射活動相對較少，其原因是巖石承受的荷載未達到巖石的屈服強度，巖石主要處于彈性變形階段，巖石內部微裂紋處在休眠狀態(tài)，但仍會有些已經閉合的微裂紋表面間會產生滑移現象，產生少量的聲發(fā)射事件。

3）加載后期：聲發(fā)射活動活躍，當應力為巖石單軸抗壓強度的80%～90%時，產生大量的聲發(fā)射事件。其原因為隨著應力的不斷增加，巖石試樣內部開始形成新的裂紋，試樣同時也出現擴容現象，巖石發(fā)生了宏觀破壞。

3 結論

通過單軸壓縮聲發(fā)射試驗研究白云質灰?guī)r在單軸壓縮條件下的聲發(fā)射特性，試驗結束后認真分析數據，得出如下結論。

1）加載初期AE振鈴計數值在200～300，接著保持恒定，最后當巖石處于宏觀破壞階段時AE振鈴計數值驟然增加，最大值出現。

2）巖石加載的初期，內部微裂紋處于壓密階段，產生的聲發(fā)射強度小，隨巖石內部儲存能量不斷加大，AE能量計數值經歷休眠階段后突然增大，說明加載后期聲發(fā)射現象活躍。

3）通過聲發(fā)射計數率總結，加載初期有少量的聲發(fā)射事件產生，并出現突變現象；加載中期聲發(fā)射現象處于休眠狀態(tài)；加載后期聲發(fā)射活動活躍，尤其應力達到巖石單軸抗壓強度的80%～90%時，產生大量的聲發(fā)射事件，說明此時巖石處于宏觀破壞狀態(tài)。

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The acoustic emission characteristics of dolomitic limestone under uniaxial compression

WANG Wenli1，WANG Chun2，3，ZHOU Zonghong3
（1.Kunming Prospecting Design Institute of China Nonferrous Metals Industry，Kunming 650051，China；2.School of Resources and Safety Engineering，Central South University，Changsha 410083，China；3.Faculty of Land Resource Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650093，China）

Acoustic emission test under uniaxial compression is done on dolomitic limestone with well integrity and homogeneity.TAW-2000B digital controlled electro-hydraulic servo testing machine is used for loading，and SDAES digital acoustic emission detector is used for collecting acoustic emission signal.The results show that AE ring count is maintained at 200～300，and then decreased in stability，finally had a sudden increase to the maximum；AE energy count suddenly increases after a period of stability；the sudden change of AE events count rate is observed during the initiation of loading，then AE events count is in the plateau，finally it has a sudden increase in the maximum when the stress get up to 80%～90%of the uniaxial compressive strength of rock.The acoustic emission phenomenon has different states when the rock is in different damage process.The phenomenon shows that acoustic emission technique can be used to monitor the rock damage.

dolomitic limestone；acoustic emission；uniaxial compression；ring-down count；energy count

TD315

Α

1671-4172（2015）06-0049-04

王文麗（1972-），女，工程師，采礦工程專業(yè)，主要從事采礦工程設計工作。

10.3969/j.issn.1671-4172.2015.06.010